KELLER. Elève stagiaire: Rapport de. stage, Année Année

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1 KELLER Fondations spéciales Bâtiment IENA, 12 rue le Corbusier BP 40220, RUNGIS CEDEX Tel : Elève stagiaire: Aurélien MANTELIER Départementt : GEOTECHNIQUE Rapport de stage, Année 2010 ETUDES ET CONDUITE DE TRAVAUX EN RENFORCEMENT DE SOL Année

2 Remerciements J adresse tout d abord mes remerciements à Gaëlick CAVANNA, Ingénieur Travaux Principal à l agence de Paris, et mon maitre de stage, pour son suivi, les conseils donnés, et les moyens mis à ma disposition. Je remercie également Cyril COPPALLE, Directeur de l agence de l Île de France, de m avoir accueilli au sein de l agence. J associe aussi à ces remerciements Gilles PRADEAU et Sylvain STIL (Ingénieurs Travaux) pour leur soutien, leurs avis et leurs explications ainsi que leur patience pendant la réalisation des chantiers. Je tiens également à remercier Joël HEIL, Aline THUAIRE et Benoît PAINEAU (Ingénieurs Commerciaux) ; Olympe RETY et Antony MURA (Ingénieurs Etudes) ; Valérie LEGEAU et Jennifer PARSI (Assistantes Travaux et Commerciale), de m avoir accompagné tous les jours dans l agence de Paris, pendant mon stage. Enfin, je remercie Lucile DUMORA et Alexandre PETRUS, stagiaires et collègues, pour leur aide et leur bonne humeur. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 2

3 Résumé Keller Fondations Spéciales est une entreprise de travaux publics travaillant dans le domaine des fondations spéciales, de l amélioration et du renforcement de sol. Le renforcement de sol est une technique depuis longtemps utilisée et reconnue. Elle consiste à mettre en place un élément résistant dans le sol afin de former un complexe solrenforcement. Cela conduit à une augmentation globale des caractéristiques mécaniques du sol : la capacité portante est augmentée et les tassements sous ouvrage sont réduits. L intérêt principal du renforcement de sol est de mettre en place des fondations superficielles ; le coût rapporté aux fondations est diminué par rapport à des fondations profondes ou semi profondes. La technique des colonnes ballastées est la plus utilisée en renforcement de sol. Ce sont des inclusions souples et compactes, en graves refoulées. Leur mise en place suit le procédé conçu par Keller et leur dimensionnement répond aux recommandations du Soffons Coprec, le cahier des charges des colonnes ballastées. La conduite de travaux en renforcement de sol consiste à suivre un chantier, de sa préparation à sa clôture. Le conducteur de travaux est la personne qui organise et supervise les travaux. Ses compétences sont aussi bien techniques que financières. Tout en dirigeant l équipe de chantier, il doit gérer le budget et le suivi financier des travaux. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 3

4 Abstract Keller Fondations Spéciales is a construction company working in the field of special foundations, soil improvement and strengthening. Soil strengthening is a well known method. It consists in putting in place a resistant element in the soil to constitute a complex soil strengthening. The global mechanical characteristics of the soil are increased: the loading capacity is increased and the soil compression is reduced. The main benefit of the soil strengthening is to realize shallow foundations. The total cost of the foundations is reduced compared to deep foundations. The technique of ballasted columns is the most used in soil strengthening. They are supple inclusions, made up of compressed gravels. Their setting up follows the process invented by Keller and their dimensioning is in compliance with the recommendations of the Soffons Coprec, the requirements of the ballasted columns. Managing the work in the soil strengthening consists in organizing, from the beginning to the end. Competences of the work manager are technical and financial. He supervises the work team and controls the budget of the work. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 4

5 Sommaire Introduction... 7 Partie 1 Présentation du groupe KELLER... 8 I L histoire du groupe... 8 II La situation actuelle Les implantations géographiques Keller Fondations Spéciales... 9 a. Les agences... 9 b. L agence de Paris c. Activités et procédés Partie 2 Etudes des colonnes ballastées I Généralités Classement des travaux spéciaux Explication et comparaison des techniques Les fondations superficielles II Les colonnes ballastées Présentation Domaine d application La mise en œuvre III Présentation d une note de calcul de colonnes ballastées Présentation du chantier rue Pajol, Paris 18 ième Construction d un gymnase a. Présentation générale b. Les intervenants c. Les caractéristiques de l ouvrage d. Nature et caractéristiques mécaniques des sols Dimensionnement a. Portance d une colonne ballastée isolée b. Portance du sol isolé c. Portance globale du renforcement d. Calculs avec la méthode de PRIEBE e. Raideur MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 5

6 Partie 3 Conduite de travaux I Positionnement hiérarchique II Préparation de chantier Réunion de transfert Validation des documents d études Budget prévisionnel et commandes Derniers préparatifs avant lancement des travaux III Lancement et suivi du chantier Lancement des travaux Suivi technique des travaux Essais de réception a. Essais de compacité b. Essai de chargement c. Essai d impédance mécanique d. Ecrasement d éprouvettes béton IV Dossier des Ouvrages Existants (DOE) V Suivi financier de la production et facturation Conclusion Table des Figures Bibliographie Annexes MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 6

7 Introduction Ce rapport présente le stage que j ai effectué au sein de l entreprise Keller Fondations Spéciales. Keller est spécialisé dans l amélioration et le renforcement de sol. Tout au long de ce stage, j ai eu l occasion de travailler en études pour dimensionner des chantiers de colonnes ballastées, et en travaux où j ai occupé le poste de conducteur de travaux. Dans la première partie, nous présenterons le groupe Keller, avec ses différentes filiales mondiales, puis plus précisément Keller Fondations Spéciales avec ses agences, son fonctionnement et ses activités et procédés techniques. Dans la deuxième partie, nous présenterons la technique de renforcement de sol par colonnes ballastées, son domaine d application, ses limites et sa mise en œuvre. Une étude de cas sera présentée sur un chantier dont j ai réalisé le dimensionnement. Dans la troisième partie, nous présenterons le poste de conducteur de travaux, de la préparation de chantier à sa clôture. La conduite de travaux a des aspects techniques car elle demande d organiser et de superviser une équipe de chantier, mais également financiers car le conducteur de travaux doit gérer les commandes et respecter le budget alloué au chantier. Enfin, le logiciel en réseau ixbat de gestion de chantier sera présenté en fin de rapport. Il permet un meilleur suivi des affaires, pour tous les services concernés de l entreprise. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 7

8 Partie 1 Présentation du groupe KELLER I L histoire du groupe Keller Group est le résultat du rachat de la société Johan Keller GmbH par la société GNK plc, en Cette dernière a donc choisi de changer de nom pour Keller Group. Johan Keller GmbH était une entreprise créée par Johan Keller en Elle était basée en Allemagne à Renchen. Johan Keller dirigeait une chaudronnerie, et se fit, peu à peu, un nom dans le forage d eau. Puis il développa ses techniques de forages et particulièrement celle du renforcement des sols par aiguilles vibrantes électriques ; technique appelée Torpédo. Désormais Keller Group plc, basé à Londres, est un des leaders mondiaux des fondations spéciales et de la géotechnique. II La situation actuelle La société Keller Group représente aujourd hui 6000 employés pour un chiffre d affaire de 1,2 milliard d euros. Ses résultats la place au rang de n 1 des entreprises de fondations spéciales à l échelle mondiale, en terme d activité. La partie européenne et orientale du groupe (Keller Holding GmbH) compte plus de 3000 employés et a réalisé un chiffre d affaire de l ordre de 850 millions d euros. 1. Les implantations géographiques Géographiquement, le groupe Keller se divise en 4 entités : Keller Ground Engineering au Royaume Uni Keller Foundation (Hayward Baker) aux Amériques Keller Australia en Australie Keller Holding GmdbH principalement pour l Europe, l Afrique du nord et le Moyen Orient. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 8

9 Keller Ground Engineering Keller Foundations Inc Keller Holding GmbH Keller Australia Pty Figure 1 - Division géographique de Keller Group 2. Keller Fondations Spéciales Keller Fondations Spéciales est donc la filiale française de Keller Holding GmbH. Elle a été créée en 1991 et compte aujourd hui 200 salariés. C est une société à actionnariat simplifié qui a réalisé un chiffre d affaire de 62.8 millions d euros en Elle est positionnée au 5 ème rang des entreprises de fondations, et au 1 er rang des entreprises de renforcement et amélioration de sol. a. Les agences Keller Fondations Spéciales, est en charge, au sein de Keller Holding GmbH, de la zone Sud Ouest du continent (Portugal, Espagne, France). Keller Fondations Spéciales est implantée sur tout le territoire français, grâce à huit agences situées en métropole et une agence située en Martinique. Le siège de Keller Fondations Spéciales se situe dans le Bas Rhin à Duttlenheim, près de Strasbourg. Figure 2 - Division géographique des agences Keller Fondations Spéciales MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 9

10 b. L agence de Paris i. Organisation de l agence L agence de Paris se décompose en 3 services : Le service commercial, qui vend les affaires et répond aux appels d offres ; Le service étude ; l agence de Paris possède son propre bureau d étude qui effectue les notes de calcul pour l exécution des travaux ; Le service travaux, qui s occupe directement du chantier (organisation du chantier, prises de commande aux fournisseurs extérieurs, suivi des travaux ). Chaque service se compose de trois à quatre ingénieurs. Mon stage s est majoritairement déroulé dans le service travaux, avec tout de même une période dans le service étude afin de m initier à la rédaction de notes de calcul. ii. Fonctionnement de l agence De l étude commerciale à la clôture du chantier, les affaires se déroulent toujours selon la même organisation : L ingénieur commercial répond aux appels d offres, en mettant au point la meilleure solution technique au prix le plus attractif. Lorsque le contrat est signé, le chantier peut être ajouté au planning de l agence. Il passe alors de l état «d étude commerciale» à «affaire». L ingénieur études rédige la note de calcul et demande au dessinateur de lui faire parvenir le plan d exécution. Il transmet ces documents au mandataire et au bureau de contrôle. L ingénieur travaux prend contact avec le client et prépare le chantier (budget, commandes matériels et matériaux) jusqu au lancement du chantier. Tout au long des travaux, il s occupe du suivi technique et financier du chantier. Une fois les travaux achevés, il clôt le chantier par la rédaction du Dossier des Ouvrages Existants (DOE) correspondant au récolement. Le travail d ingénieur travaux correspond au poste de conducteur de travaux que j ai occupé pendant mon stage. Il sera décrit de façon plus précise dans la 3 ème partie de ce rapport. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 10

11 c. Activités et procédés Keller Fondations Spéciales propose un large choix de techniques afin de répondre à la complexité de chaque chantier. i. Amélioration / Renforcement de sol Colonne Ballastées Sèche ou Injectée Colonne réalisée en graviers refoulés, à l aide d un vibreur à sas Keller Inclusion rigide type INSER * Colonne réalisée en béton, à l aide d un vibreur ou d une tarière à refoulement Colonne à Module Mixte CMM ** Colonne combinant une inclusion rigide en partie inférieure et une colonne souple en graviers refoulés en partie supérieure Vibro compactage Densification du sol par réduction de la porosité à l aide d une aiguille vibrante Compactage dynamique Densification du sol par la chute répétée d une forte masse Induction Hydraulique Substitution du sol de la dimension de la semelle, puis compactage par vibration ii. Fondations profondes Pieux forés à la tarière creuse Pieux mis en place par injection du béton à l intérieur de la tarière, le sol étant remonté en surface par la partie hélicoïdale de l outil Pieux forés type Eliterre Pieux mis en place à l aide d un vibreur Keller, technique se situant entre l inclusion rigide et le pieu traditionnel iii. Reprise en sous œuvre et soutènement Jet grouting Destruction du sol par un jet de fluide à haute énergie, puis injection de coulis de ciment Parois de soutènement Pieux jointifs, sécants ; Parois parisiennes, berlinoises, autostables, butonnées, tirantées, clouées avec béton projeté, armées ou non Micro pieux Procédé Soilfrac Création de fissures remplies dans le sol par injection de liant hydraulique Compactage Horizontale Statique CHS Injection sous pression de mortier afin de former des inclusions sphériques et recoupées verticalement entre elles * Annexe 1 ** Annexe 2 MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 11

12 Partie 2 Etudes des colonnes ballastées La technique des colonnes ballastées est un moyen courant de renforcement de sol. Elle peut être mise en œuvre pour tout type d ouvrages comme des bâtiments, des ouvrages logistiques, des infrastructures, des remblais, la stabilisation des talus, des réservoirs, etc. Pour pouvoir appliquer les méthodes de dimensionnement, il faut comprendre les bases de la technique des colonnes ballastées. Ce chapitre présente d abord les travaux spéciaux de fondations, de renforcement et d amélioration de sol, avec une explication et une comparaison des techniques les plus utilisées ainsi que leur comportement mécanique. Il donne ensuite une vue globale sur les colonnes ballastées : leur composition, leur domaine d application et leur mise en œuvre. Enfin, un dimensionnement de colonnes ballastées sera présenté. Il portera sur un chantier dont j ai suivi les travaux au mois de juin I Généralités 1. Classement des travaux spéciaux Les travaux classiques de fondations sont réalisés sur des sols en place de bonne compacité. Ce sont généralement des fondations superficielles simples, réalisées par des entreprises de gros œuvre. Lorsque le sol en place n est pas de bonne compacité, il est nécessaire d avoir recours aux travaux spéciaux de fondations. On peut distinguer trois grandes catégories de travaux spéciaux : Les fondations, qui peuvent être : Profondes (les pieux forés ou battus par exemple) Semi profondes (les puits bétonnés de faible profondeur) Le renforcement de sol, qui peut être de deux types : Inclusions rigides (inclusion INSER par exemple) Inclusions souples (colonnes ballastées par exemple) L amélioration de sol Vibro compactage Compactage dynamique MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 12

13 L intérêt principal du renforcement et de l amélioration de sol est la possibilité, après réalisation, de mettre en place une fondation superficielle supportant les structures du bâtiment. Le coût rapporté aux fondations est alors diminué par rapport à des fondations profondes ou semi profondes. C est donc souvent une alternative financièrement intéressante. 2. Explication et comparaison des techniques Le renforcement de sol et l amélioration de sol ne sont pas des fondations à proprement dit, mais des traitements de sol ayant pour but d améliorer les caractéristiques mécaniques du sol en place afin : qu il supporte des charges supérieures à celles qu il pouvait supporter initialement, qu il admette un tassement inférieur à celui qu il aurait admis initialement. Notons la différence entre renforcement et amélioration de sol : l amélioration de sol améliore physiquement le sol en place par une réorganisation granulaire du sol et par une diminution de l indice des vides ; alors que le renforcement fait appel à un matériau extérieur mis en place dans le sol. C est alors le complexe «sol renforcement» qui améliore de façon globale les caractéristiques mécaniques du sol. La mise en place d inclusions rigides ou souples permet d augmenter la capacité portante du sol et de réduire les tassements ; c est le sol et l inclusion qui reprennent les charges apportées par la fondation. Notons que les inclusions rigides et souples ne reprennent pas les moments des massifs de fondations. σ sem σ p q sol q col Sol compact Sol sans renforcement Sol compact Sol renforcé par pieux Sol compact Sol renforcé par colonnes σ sem : Contrainte appliquée par la semelle de fondation au sol σ p : Contrainte appliquée par la semelle en tête de pieu q col et q sol : Contraintes appliquées par la semelle en tête de colonne et au sol Figure 3 - Différence de report de charge entre les différents types de travaux spéciaux MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 13

14 Dans le cas du sol non renforcé, la semelle de fondation applique une contrainte globalement constante sous toute sa surface. Dans le cas du sol renforcé par pieux, les contraintes ne sont pas reprises directement par le sol, mais seulement par les pieux qui les redistribuent au sol par frottement latéral et par résistance de pointe. Dans le cas du sol renforcé par colonnes ballastées par exemple, la contrainte apportée par la semelle de fondation est reprise, d une part par la colonne, et d autre part, et en moindre mesure, par le sol lui même. En effet, plus un élément est rigide, plus il reprend une contrainte importante. La colonne ballastée est plus rigide que le sol. 3. Les fondations superficielles Dans le dimensionnement on considère trois types de semelles : Les semelles de grandes dimensions appelées radiers, Les semelles dont la longueur est au moins 10 fois supérieure à la largeur, dites filantes, Les semelles isolées. Ces trois types de semelles peuvent être supportés par des inclusions souples ou rigides. Il est cependant souvent nécessaire de mettre en place un matelas de répartition entre les inclusions et le dallage, le cas échéant. Figure 4 - Semelle isolée et semelle filante MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 14

15 II Les colonnes ballastées 1. Présentation La colonne ballastée fait partie de la famille du renforcement de sol. Sa mise en place dans le sol conduit à une augmentation globale des caractéristiques mécaniques du sol en place. Les quatre principaux avantages d une colonne ballastée sont : La réduction des tassements, L augmentation de la capacité portante, L accélération de la consolidation primaire du sol grâce à sa capacité drainante, La stabilité générale et la résistance en zone sismique. La colonne est une inclusion composée seulement de graviers ou injectée de béton ou de coulis (ce dernier cas ne sera pas décrit dans ce rapport). La colonne ballastée non injectée de béton est donc constituée de matériaux granulaires, sans cohésion, compactés dans le sol encaissant. Le matériau d apport constituant est souvent une grave avec une granulométrie la plus homogène possible et bien définie, dont les plus gros éléments ont une taille supérieure à 40 mm. LA > 35 LA : essai Los Angeles, norme NF P MDE < 30 MDE : essai Micro Deval, norme NF P LA + MDE < 60 Passant à 80µm < 5% Figure 5 - Tête de colonne ballastée MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 15

16 2. Domaine d application En principe, les colonnes ballastées peuvent être mises en place dans tous types de sols ; en pratique, elles sont habituellement utilisées pour le traitement des sols de qualité médiocre à très faible : les sables limoneux, les limons argileux, les argiles, les remblais hétérogènes L application de la colonne ballastée est tout de même limitée par des sols évoluant dans le temps (tourbe, déchets organiques par exemple). La colonne étant constituée d un matériau sans liant, elle s évaserait en fonction de la dégradation du sol : son comportement est lié à l étreinte latérale du sol. Si elle est trop faible, la colonne n est pas suffisamment tenue latéralement. Pour les matériaux pulvérulents comportant peu de fines (passant à 80µm inférieur à 15%), l amélioration du sol est effectuée par vibrations et sans apport de matériaux. C est la technique du vibro compactage. Figure 6 - Domaines d application des techniques de renforcement et d amélioration de sol en fonction de la granulométrie du sol Le diamètre d une colonne est directement lié aux valeurs de pression limite (et indirectement aux modules pressiométriques) du sol traversé : plus la pression limite sera faible, plus la colonne s expansera. Les diamètres de la colonne varient généralement entre 65cm et 90cm selon la compacité locale du sol. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 16

17 Les colonnes ballastées s adaptent à tout type d ouvrage : Maisons individuelles Bâtiments collectifs, bureaux Remblais routiers Stations d épuration Eoliennes Halls industriels surfaces commerciales Elles ont l avantage, en phase de chantier, de ne pas demander de recepage ni de temps d attente avant l intervention du gros œuvre. 3. La mise en œuvre La mise en place des colonnes ballastées peut être réalisée selon deux méthodes différentes : la mise en place par voie humide, la mise en place par voie sèche. La première méthode consiste à injecter de l eau sous pression afin de favoriser le fonçage de l outil de mise en place des colonnes. Cela a le désavantage de ramener une grande quantité d eau rendant la plateforme de travail boueuse. Les manœuvres des machines deviennent alors difficiles. La seconde méthode remplace l injection d eau par une injection d air. Le sol est refoulé pendant le fonçage à l aide d un tube vibreur, on appelle donc cette technique «vibro refoulement». Cette méthode présente l avantage de ne pas utiliser d eau et de ne pas avoir à évacuer de terres extraites. Dans la suite de ce rapport, on ne considérera que les colonnes ballastées mises en œuvre par voie sèche. La mise en œuvre d une colonne ballastée se déroule en 4 étapes : Figure 7 - Etapes de mise en œuvre d une colonne ballastée MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 17

18 1. Préparation et remplissage : La machine est mise en station au dessus du point d implantation et stabilisée sur ses vérins. La chargeuse remplit la trémie en graves. La machine possède un vibreur à sas Keller le long du tube d amenée des matériaux, générant des vibrations horizontales permettant un bon refoulement du sol. Le tube est guidé le long d un mât garantissant une parfaite verticalité. Il applique une force d appui de 200kN à 250kN. La trémie est montée en haut du mât pour déverser les graves à l intérieur du tube. 2. Fonçage : Le vibreur est descendu jusqu à la profondeur souhaitée en refoulant le sol sous l effet des vibrations et du lançage à l air. 3. Compactage : Lorsque la profondeur finale est atteinte, le vibreur est remonté par passe de 50 cm environ, en laissant descendre par gravité le ballast. En même temps le vibreur effectue un mouvement de va et vient vertical afin de constituer une colonne compactée et expansée latéralement. L expansion dépend ainsi de la force appliquée par le vibreur lors des passes, ainsi que de la qualité de la couche traversée. 4. Finition : Une fois la colonne ballastée terminée, on effectue un compactage en surface puis un nivellement avec la chargeuse, afin de laisser la plateforme propre au gros œuvre. Les massifs de fondations sont généralement directement posés sur les colonnes et le sol. La mise en place d un matelas de répartition est nécessaire pour faire un dallage sur terre plein. Figure 8 - Vibreur à sas Keller Les colonnes ballastées peuvent être facilement recépées, si besoin, par le grosœuvre afin de mettre en place les fondations superficielles, car elles ne possèdent pas de cohésion, contrairement aux colonnes en béton. On considère, de manière générale, une cadence de 160m lin de colonnes ballastées réalisées par jour. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 18

19 III Présentation d une note de calcul de colonnes ballastées Pour présenter une note de calcul de colonnes ballastées, nous allons utiliser une affaire dont j ai suivi le chantier, en tant que conducteur de travaux : le chantier rue Pajol, Paris 18 ième. La note de calcul indice 1 a été utilisée pour réaliser les travaux. Cependant, suite au contrôle sur site des diamètres des colonnes par le bureau de sol CEBTP SOLEN dans le cadre de sa mission G4 (supervision géotechnique d exécution), il a été nécessaire de réaliser une justification : note de calcul indice 2. En effet, après réalisation des colonnes, nous nous sommes aperçus que les diamètres de 65cm annoncés préalablement en indice 1 n avaient pas été respectés, en cause un terrain plus raide que celui pris en hypothèse. Je me suis chargé, lors de mon passage au bureau d étude de l agence, de réaliser l indice 2 justifiant le diamètre mesuré de 60cm. C est cette note de calcul indice 2 qui va être présentée par la suite *. 1. Présentation du chantier rue Pajol, Paris 18 ième Construction d un gymnase. a. Présentation générale Le projet consistait en la construction, sur trois niveaux, d un gymnase à Paris, 18 ième arrondissement. La surface du chantier est d environ 1500m 2. Keller a proposé de réaliser un renforcement de sol par colonnes ballastées, avec une approche de radier généralisé avec semelles fictives. C est à dire qu en pratique, les voiles et les poteaux du bâtiment reposeront sur le radier, mais dans le calcul, ils reposent fictivement sur des semelles filantes et isolées indépendantes du radier. b. Les intervenants Maitre d ouvrage : Direction de la Jeunesse et des Sports Maitre d œuvre : Brisac Gonzalez Architects Bureau de Contrôle : BTP Consultant Géotechnicien en mission G4 : Cebtp Solen Coordinateur SPS : Apave BET structure : VP&Green engineering * Annexe 3 MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 19

20 c. Les caractéristiques de l ouvrage Type de bâtiment : Public, collectif Niveau fini : 47.0 NGF Niveau du terrain naturel vers 47.0 NGF Niveau plate forme d intervention supposée proche du niveau du terrain naturel Epaisseur du radier : 50 cm Poids propre du radier : 12.5kPa Taux de travail du sol renforcé : σ sem = 0.15 à 0,2MPa aux ELS d. Nature et caractéristiques mécaniques des sols Une campagne de sondages a été conduite par BS Consultants. Les sondages ont mis en évidence les couches suivantes : Remblais de caractéristiques géotechniques faibles (une seule mesure dans cet horizon) sur des épaisseurs de 1.0 m à 2.0 m. Masses et marnes infragypseux de caractéristiques géotechniques bonnes observées jusqu à 8.0 m à 9.0 m de profondeur. Calcaire de Saint Ouen de caractéristiques géotechniques bonnes à très bonnes sur une épaisseur d environ 10.0 m. Sables de Beauchamp de bonne compacité sur une épaisseur de l ordre de 15 m. Marnes et caillasses de bonne compacité reconnue jusqu à la base des sondages réalisés. A partir des sondages réalisés et notamment du sondage le plus défavorable (SP2), on retient la synthèse géotechnique suivante : Profondeur du toit des formations / NF Faciès Pl [MPa] Em [MPa] Coefficient rhéologique α E dallage [MPa] E semelle [MPa] 0.0 Remblais / Marnes Sableuses / Marnes Sableuses / Marnes à blocs calcaire Marnes à blocs calcaire Marnes à blocs calcaire / / / MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 20

21 Pour les calculs de tassements selon la méthode de PRIEBE, la méthode élastique est utilisée et les modules œdométriques sont déterminés par : 2, pour les semelles,, pour les dallages. α étant le coefficient rhéologique dépendant de Pl et Em, pression limite et module pressiométrique, ainsi que de la nature de la couche de sol. La méthode de PRIEBE sera présentée par la suite dans ce rapport. Selon la synthèse géotechnique précédente, les colonnes ballastées seront descendues au refus du vibreur, Pl>1.0MPa, ici au toit des marnes sableuses à 2m. Selon un abaque interne à la société Keller *, le diamètre prévu des colonnes dans les remblais était de 65cm. Nous prendrons 60cm pour les calculs de dimensionnement, suite aux constatations au cours du chantier. * Annexe 4 MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 21

22 2. Dimensionnement Le dimensionnement se fait en plusieurs étapes. Cette partie est essentiellement calculatoire. D abord, il nous faut calculer la contrainte admissible aux ELS (Etats Limites de Service) d une colonne isolée dans le sol en place. Cette contrainte admissible sera comparée à la contrainte de rupture de la colonne afin de déterminer le coefficient de sécurité. Ensuite, nous calculerons la contrainte ultime que peut supporter le sol. Cela va nous permettre de calculer la contrainte admissible aux ELS (Etats Limites de Service) et aux ELU (Etats Limites Ultime) du sol ; puis la portance globale aux ELS du sol renforcé. Cette valeur devant être supérieure à la charge appliquée par l ouvrage. Enfin, nous utiliserons le logiciel GRETA 2006 afin de déterminer le tassement du sol renforcé sous chaque semelle de fondation. Le logiciel va également nous permettre d obtenir la part de la charge appliquée à la colonne, ainsi que celle appliquée au sol. Ces valeurs seront comparées à la contrainte admissible aux ELS de la colonne et la contrainte admissible aux ELU du sol. Pour la suite, nous prendrons en exemple la semelle isolée dont les dimensions sont 2,0x2,0 m et la charge verticale appliquée est V max = 800kN. σ sem est le taux de travail du sol (contrainte appliquée sous la semelle), 200.,, Le nombre de colonnes sous cette semelle est de 4. Figure 9 - Schéma de dessus de la semelle isolée 2,0x2,0 m MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 22

23 Tous les calculs de dimensionnement suivent les recommandations du DTU 13,2 Chapitre 8 «Colonnes ballastées» et du Soffons Coprec «Recommandations sur la conception, le calcul, l exécution et le contrôle des colonnes ballastées sous bâtiments et ouvrages sensibles au tassement». a. Portance d une colonne ballastée isolée i. Contrainte admissible Le calcul de la contrainte verticale admissible aux ELS d une colonne, q a, est réalisé à partir des caractéristiques du sol entourant la colonne. 2 ;0,8 avec q a : contrainte admissible σ h : étreinte latérale La valeur de l étreinte latérale résulte du rapport géotechnique. Elle est déterminée à partir d essais en laboratoire (essais triaxiaux) ou d essais in situ (pressiomètre, pénétromètre statique, scissomètre ). Dans le cas d essais pressiométriques, σ h est assimilée à la pression limite équivalente Pl*, moyenne géométrique des pressions limites des couches traversées par la colonne:. sur toute la longueur de la colonne. Dans le cas du chantier rue Pajol: P 1 = 0,37 dans les remblais ; les marnes sableuses ne sont pas concernées par le calcul. Donc : 0,37. 2 ;0,8 2 0,37; 0,8 0,74; 0,8 0,74 ii. Charge admissible Il est aisé de calculer la charge admissible d une colonne, connaissant sa surface S col. avec Dans le cas du chantier rue Pajol: 0,60 2 0,283m Donc 0,74 0,28 0,209MN 209kN MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 23

24 iii. Contrainte à la rupture Une colonne ballastée peut subir une rupture selon trois schémas possibles : rupture par expansion latérale (critère souvent dimensionnant), rupture par cisaillement généralisé (rupture rare, cas des colonnes courtes), rupture par poinçonnement (colonnes flottantes). Figure 10 - Schémas de rupture d'une colonne ballastée D après le Soffons Coprec : «La rupture par cisaillement généralisé peut être étudiée lorsque les caractéristiques de la colonne sont relativement proches de celles du sol. Ce cas est peu fréquent et le calcul correspondant n est pas présenté ici (cf. Soyez, 1985).» Le Soffons Coprec ne prend pas en compte la rupture par cisaillement généralisé, nous ne le traiterons donc pas dans cette partie. Notre colonne est posée sur la couche compacte de marnes sableuses, elle est donc non flottante. La rupture par poinçonnement n est donc pas à considérer. La rupture par expansion latérale est donc le critère dimensionnant, nous allons calculer la contrainte de rupture q r selon ce schéma. 1 sin 1 sin avec φ: l angle de frottement interne du matériau de la colonne. φ 38 pour des matériaux roulés, φ 40 pour des matériaux concassés. Les matériaux utilisés pour ce chantier, proviennent d une carrière appartenant au groupe Cemex et sont de type concassé : φ 40. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 24

25 0,37 1,7MPa Calculons alors le coefficient de sécurité entre la contrainte admissible et la contrainte à la rupture de la colonne:, 2,3, Le coefficient de sécurité est supérieur à 2, coefficient minimal prévu par le DTU et les recommandations du Soffons Coprec. b. Portance du sol isolé i. Contrainte de rupture du sol La contrainte de rupture du sol q u est calculée à l aide de la méthode pressiométrique issue du DTU «semelles superficielles». Elle est définit par : Avec : k p : facteur de portance de la semelle superficielle, fonction de D/B ; D : profondeur de la semelle B : largeur de la semelle Pl e * : moyenne des pressions limites sur 1,5 B ; q 0 : contrainte initiale verticale sous la semelle (tranche de sol excavée pour la réalisation de la semelle, par exemple). Notre semelle de dimensions 2,0x2,0 m sera placée à 0,85m de profondeur. D B Figure 11 - Schéma de principe d'une fondation superficielle Donc D=0,85m ; B=2m. D après les abaques *, on obtient un k p =0,93. Nous admettrons que Pl e *=0,37MPa sur 1,5 B, ce qui va dans le sens de la sécurité. q 0 est négligée, cela va dans le sens de la sécurité. 0,93 0,37 0,344MPa 344kPa * Annexe 5 MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 25

26 ii. Contrainte admissible aux ELU du sol La contrainte admissible aux ELU du sol est déterminée à partir de la contrainte de rupture du sol, avec un coefficient de 2 : kPa La contrainte résiduelle au sol calculée avec le logiciel GRETA 2006 devra être inférieure à cette valeur. iii. Contrainte admissible aux ELS du sol La contrainte admissible aux ELS du sol est déterminée à partir de la contrainte de rupture du sol, avec un coefficient de 3 : kPa c. Portance globale du renforcement Nous avons, dans les paragraphes précédents, calculé la contrainte admissible aux ELS d une colonne isolée d une part, et la contrainte admissible aux ELS et ELU du sol isolé d autre part. Dans cette partie, nous allons calculer la portance globale admissible aux ELS, du sol renforcé, c est à dire la charge totale Q global que peuvent reprendre le sol et les colonnes en fonction de leur répartition surfacique, sous notre semelle de fondation 2,0x2,0 m. Notre semelle a une surface S sem =4m 2 ; N col =4 colonnes placées sous la semelle. Charge admissible ELS dans les 4 colonnes Charge admissible ELS par le sol 3 Dans le cas du chantier rue Pajol: , Cette vérification reste préliminaire, car elle ne prend pas en compte les contraintes réelles appliquées au sol et celles appliquées aux colonnes. Ceci sera présenté dans le paragraphe suivant. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 26

27 d. Calculs avec la méthode de PRIEBE Les calculs de tassement sont effectués à partir du logiciel GRETA 2006, commercialisé par la société GEOStat. Ce logiciel est utilise la méthode de calcul de PRIEBE pour le calcul des tassements de sol renforcé par colonnes ballastées. Cette méthode est basée sur un calcul de tassement avant traitement par une méthode des tranches. Puis une diminution de ce tassement par un système de coefficient induit d abaques est réalisée. Les abaques principaux de référence de cette méthode ont été validés par TERRASOL (rapport n /02, mars 1994). Les tassements sont limités en profondeur jusqu à Δσ/σ 0 < 10% pour un sol argileux avec Δσ la contrainte diffusée au sol par la semelle (diminue en fonction de la profondeur) et, la contrainte initiale dans le sol (poids des terres) (cf. Cordary RFG n 7). Le logiciel permet également de déterminer n 2, le coefficient final d amélioration, permettant de connaitre la répartition des contraintes diffusées en surface au sol et celles diffusées aux colonnes. i. Tassements Voici un extrait des calculs du logiciel GRETA 2006 : Tassement de la semelle isolée à 1.0 fois la distance du point caractéristique (terminé au plus tard quand le rapport de contrainte est sous 0.10) Niveau tassement mode de mise en tassement poids contr. rapport amélioré déformation utilis.non amélioré de sol de fond. de contr. [m] [cm] [cm] [kn/m2] [kn/m2] plastique plastique Le logiciel a calculé, sous cette semelle, un tassement de sol non renforcé de 1,98cm, et un tassement de sol renforcé avec 4 colonnes ballastées de 1,14cm. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 27

28 σ 0 =γh σ Figure 12 - Coupe verticale de la semelle 2,0x2,0m sous GRETA 2006 MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 28

29 ii. Répartition des contraintes sol/colonnes Par la méthode de PRIEBE et à l aide du logiciel GRETA 2006, on peut connaitre la répartition réelle des contraintes diffusées en surface au sol et dans les colonnes. Le logiciel calcule le coefficient final d amélioration n 2 =2,07. q sol est la contrainte réellement diffusée au sol. Dans le cas du chantier rue Pajol:, 96,6. Cette valeur est comparée à la contrainte admissible du sol aux ELU : 172kPa On vérifie bien que 96,6 172kPa q Col est la contrainte réellement diffusée aux colonnes. Dans le cas du chantier rue Pajol:,,, 465,9 Cette valeur est comparée à la contrainte admissible des colonnes aux ELS : 740 On vérifie bien que 465,9 740 e. Raideur La raideur représente la résistance du sol à une déformation. Elle est surtout utile au BET Structure, pour calculer les moments dans le radier et ainsi en déduire la quantité d armatures nécessaires. Dans le cas du chantier rue Pajol:,. é / 18,2 / MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 29

30 Partie 3 Conduite de travaux Le poste de conducteur de travaux correspond à celui d ingénieur travaux. L essentielle différence est le diplôme, et souvent le parcours professionnel. En effet, les conducteurs de travaux sont des élèves ingénieur en stage de fin d études, ou des personnes ayant obtenu un diplôme en conduite de travaux, ou ayant une bonne connaissance du terrain et des machines et qui ont progressé hiérarchiquement au sein de l entreprise. Cette dernière possibilité demande au moins 15 ans d expérience en tant que chef de chantier. Contrairement au conducteur de travaux, l ingénieur travaux a obtenu un diplôme d ingénieur en génie civil ou BTP. Tout au long de mon stage, j ai occupé la fonction de conducteur de travaux. Cette partie décrit l essentiel du travail que j ai effectué pendant les 22 semaines passées au sein de l agence de Paris. I Positionnement hiérarchique En tant que conducteur de travaux, j étais sous la direction d un Ingénieur Travaux Principal (ITP). Dans une entreprise comme Keller, il y a généralement un ITP par agence, avec, sous sa responsabilité, 3 à 4 ingénieurs ou conducteurs de travaux. Le rôle de l ITP est d organiser les chantiers de façon globale à l échelle de l agence : planning, personnel, etc. L ITP est responsable des foreurs et des chefs de chantier. Cependant, sur le chantier, c est le conducteur de travaux qui supervise les travaux et dirige l équipe de chantier. Il donne les instructions et prend les décisions selon l avancée des travaux. C est également lui qui est amené à rencontrer les autres corps de métier, le maître d œuvre et le client lors de réunion de chantier par exemple. Il traite et organise de façon particulière le chantier sur lequel il travaille (préparation, lancement des travaux, suivi technique et financier, clôture). L ITP peut cependant lui apporter son soutien, lorsque le conducteur de travaux ne peut ou ne sait résoudre une situation délicate. Le rôle du chef de chantier est de mettre en œuvre les travaux et de réceptionner les livraisons sur le chantier. C est le principal interlocuteur du conducteur de travaux concernant la production. Le chef de chantier est responsable des chefs de file de son équipe (ouvriers qualifiés conduisant les engins de chantiers). MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 30

31 II Préparation de chantier 1. Réunion de transfert Le conducteur de travaux travaille sur un chantier appelé «affaire». Cette affaire était en étude commerciale dans le service commercial de l agence. Le travail du conducteur de travaux commence dès que le devis commercial est accepté par le client, et que la note de calcul et le plan d exécution sont réalisés par l ingénieur études. Une réunion de transfert est tenue entre l ingénieur commercial, l ingénieur études et le conducteur de travaux. J assistais toujours avec une grande attention à ces réunions, car je prenais connaissance de toutes les informations nécessaires à la réalisation des travaux. Généralement, à ce stade je connaissais : Le nom du client, Le nom du bureau de contrôle, Le nom du géotechnicien qui suit le chantier en mission G4 le cas échéant, La technique de renforcement de sol utilisée, Le chiffre d affaire du chantier, Le nombre de colonnes ou d inclusions à réaliser et leur profondeur, La date approximative du commencement des travaux, Tous les points importants et spécifiques au chantier (avoisinants, accès, etc.). Par exemple, un point important et spécifique au chantier rue Pajol à Paris était d utiliser le géotechnicien CEBTP SOLEN, qui était en mission de supervision géotechnique d exécution (G4), pour nos essais de réception de fin de chantier (essai de chargement et pénétromètres statiques). C était une demande de l ingénieur commercial qui a vendu l affaire. Cela était une contrainte car, d une part le CEBTP propose des devis relativement chers pour des essais de ce type (environ deux fois plus cher que l entreprise utilisée habituellement par Keller), et d autre part dans ce cas c est le même bureau de sol qui réalise et interprète les résultats. Dans cette situation, il est alors très difficile, pour Keller, de donner sa propre interprétation des essais réalisés. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 31

32 2. Validation des documents d études Lorsque la note de calcul et le plan d exécution sont réalisés, le conducteur de travaux en prend connaissance avant envoi au bureau de contrôle. Il répond ensuite aux observations du bureau de contrôle, avec l aide de l ingénieur études. Il se peut qu une demande de modifications puisse être faite avant diffusion. Par exemple, lors d un chantier dans la banlieue du Mans (72), toute une file de colonnes ballastées était implantée à moins de 1,80m du bâtiment existant voisin, distance en dessous de laquelle la foreuse ne peut mettre en place les colonnes, à cause de son encombrement. Nous avons alors décidé, en accord avec le client et le bureau d études structure, de déplacer cette file vers l intérieur du chantier, avec pour conséquence une adaptation de la structure en béton armé. Cela montre que l expérience du terrain et des machines est importante, même en préparation de chantier. 3. Budget prévisionnel et commandes Le conducteur de travaux prépare les chantiers sur le plan technique et financier. La partie financière commence par l élaboration du budget travaux prévisionnel. Pour cela, il est nécessaire de connaître le nombre exact de colonnes ou d inclusions rigides INSER à mettre en place, leur profondeur et leur diamètre. Ces informations sont présentes sur le plan d exécution et dans la note de calcul. Le conducteur de travaux estime le rendement de la production. Cela conditionne : les délais d exécution et donc le nombre de jours de présence du personnel, des machines et des locations externes, la quantité de matériaux nécessaires aux travaux (béton ou cailloux). De manière générale, les dépenses directement liées à l exécution des travaux peuvent être regroupées en 9 déboursés, en associant leur pourcentage par rapport au chiffre d affaire du chantier (CA) : Personnel Keller, de 15 à 25% du CA. Cela comprend tout le personnel travaux appartenant à Keller : ITP à hauteur de 0,5% du CA, le conducteur de travaux, le chef de chantier et les chefs de file. Les services études et commercial sont rémunérés par les frais fixes de l entreprise. Des intérimaires peuvent être également ajoutés lorsque la main d œuvre de Keller est insuffisante, mais le cas se présente rarement. Matériel Keller, de 5 à 15% du CA. Cela ne comprend que les foreuses appartenant à Keller Fondations Spéciales. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 32

33 Figure 13 - Machine Keller et personnel Transport et grues, de 5 à 15% du CA. Les transports sont ceux utilisés pour l amenée de la machine (plateaux, porte chars) et des locations externes transportées par Keller de chantiers en chantiers. Seule l amenée du matériel est payée par le chantier débutant. Une fois le chantier terminé, le repli et l amenée vers le chantier suivant est payé par le nouveau chantier débutant. Les grues sont utilisées pour le chargement et le déchargement de matériel sur site, lorsque les plateaux de transport ne sont pas équipés de bras grue. Il est également fréquent d utiliser une grue comme massif de réaction lors de nos essais de chargement. Locations externes, de 2 à 5% du CA. Cela représente toutes les locations du petit matériel aux engins de chantier. Réalisant les premiers travaux lourds d un chantier, Keller est souvent seul sur le site, et les équipements habituels ne sont pas encore installés. Keller est donc obligé de louer un bungalow, une cuve à eau, un groupe électrogène, une cuve à fioul et des toilettes de chantiers. Des engins de chantier sont également nécessaires aux travaux : les colonnes ballastées nécessitent une chargeuse pour remplir en cailloux la trémie de la foreuse Keller, les inclusions rigides nécessitent une mini pelle mécanique pour réaliser les arases (profondeur des têtes d inclusion) et une nacelle télescopique pour le montage et le démontage du mât de la foreuse. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 33

34 Fournitures incorporées, de 15 à 35% de CA. Ce sont le ballast (cailloux) pour les colonnes ballastées et le béton pour les inclusions rigides INSER. Figure 14 - Chargeuse et ballast sur un chantier de colonnes ballastées Energie, généralement 2% du CA, cela comprend le fioul avec une consommation moyenne de 350 litres par jour de production, alimentant les engins de chantiers et le groupe électrogène. Prestations extérieures, de 10 à 20% du CA. Keller fait intervenir un prestataire extérieur afin de réaliser les essais de réception de travaux : essais géotechniques (chargement, pénétrométriques, etc.) et écrasement d éprouvettes en béton. Cela sera présenté par la suite. Assurances et abonnements. Ce sont les assurances contractées par Keller concernant les travaux : assurance décennale, assurance responsabilité civile et professionnelle et assurance sur les foreuses Keller. Les abonnements sont internes à Keller, ils concernent le service matériel et le service Recherche et Développement. Frais de chantier, 0,8% du CA. Ce sont les petites dépenses imputées au chantier. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 34

35 Prenons un exemple simple, le cas du chantier rue Pajol à Paris : La note de calcul prévoit 345 colonnes ballastées à 2m de profondeur et 65cm de diamètre. Sachant que la note de calcul est volontairement pessimiste (cas le plus défavorable, par sécurité), j ai préféré prévoir une longueur plus courte de colonne : 1,8m, soit 621m lin de colonnes au total. Estimant un rendement moyen de 160 à 180m lin de colonnes mises en place par jour, le délai d exécution est calculé à 4 jours de travaux et 1 jour d amenée/repli. Nous compterons donc 5 jours de présence du personnel et du matériel. Pour ce chantier, le personnel comprend un chef de chantier et deux chefs de file. Le personnel et la foreuse sont mis à disposition par l ITP, suite à l établissement du planning par conférence téléphonique chaque mercredi soir avec les ITP des autres agences. Ce planning tient compte des nouvelles affaires, de l avancée des chantiers en cours et des disponibilités de personnel. En considérant une perte de 30% lors de l exécution et une densité moyenne de 1.6, la quantité de cailloux calculée est de 429 tonnes. Connaissant le nombre de jours de production et la quantité de fournitures incorporées, le conducteur de travaux établit dans un premier temps son budget avec les prix couramment utilisés dans la région du chantier, puis l affine au fur et à mesure des consultations de fournisseurs. J ai été amené à négocier auprès de fournisseurs de béton et de cailloux, afin d obtenir les tarifs les plus intéressants. Une fois les prix définis et le budget réalisé, le conducteur de travaux annonce la marge prévisionnelle du chantier. Si elle est réaliste et acceptable, le budget peut être validé par l ITP, l ingénieur commercial et le directeur d agence. Si le budget n est pas validé, des tarifs plus bas doivent être recherchés, ou une cadence d exécution plus élevée peut être décidée, à condition de la respecter sur le terrain. Une fois le budget validé, le conducteur de travaux passe commande aux fournisseurs. MANTELIER Aurélien Département Géotechnique Page 35